Реактивный сверхзвуковой истребитель и струйное перемешивающее устройство ЕВНАТ – почему на наших рекламных плакатах они изображаются рядом?
Истребитель – вершина конструкторской мысли, воплощение самых передовых достижений оборонной промышленности. А струйный смеситель – нехитрое с виду устройство из нескольких труб, в нем даже движущихся деталей нет. Так что же их объединяет? «Может быть, приличная стоимость» - скажет какой-нибудь шутник. Давайте разберемся с этим вопросом. Наше устройство, конечно, намного дешевле, чем самолет, но подороже, чем может стоить обычная конструкция из труб, соединенных между собой сваркой. Тут можно уже провести первую параллель между УПС ЕВНАТ и авиастроением. Воздушный винт, который до сих пор в ходу на самолетах малой авиации, представляет собой всего-навсего кусок дерева, оклеенный стеклотканью. Секрет в том, как этот деревянный брусок обструган. Любой, кто своими руками пытался построить хотя бы аэросани, скажет, что изготовить пропеллер не проще, чем скрипку Страдивари. Немного не угадаешь угол наклона лопастей – и хорошей тяги не жди. И самолет с неправильно рассчитанным винтом не взлетит.
Вот оно что – расчеты! Именно они помогают превратить «кусок дерева» в важнейшую деталь, которая позволяет использовать мощность двигателя с максимальной отдачей. Есть специальные формулы для расчета винтов, а есть компьютерные программы, которые позволяют сделать процесс вычислений более быстрым и точным. Ввел в программу нужные параметры – и готово. Но пропеллер – это самый простой пример. Все-таки наше устройство ближе к реактивному двигателю, потому что принцип действия у них обоих основан на использовании энергии исходящей из сопла струи. Представляете, каких сложных расчетов требует конструирование реактивных двигателей? В случае с УПС ЕВНАТ расчеты требуются едва ли не более ответственные. И вот почему. Реактивная струя, исходящая из сопла двигателя, устремляется в открытое пространство. Чем мощнее она, тем лучше. А потоки жидкости, которые под давлением вырываются из нескольких сопел УПС ЕВНАТ, остаются в закрытой со всех сторон металлической емкости. Поэтому «самое интересное» в работе устройства начинается уже после того, как струя покидает сопло. Как потоки жидкости поведут себя - с какой силой они будут воздействовать на стенки емкости, как будет происходить перемешивание, какую роль в этом процессе сыграют выступающие детали внутренней части резервуара (всевозможные трубопроводы, нагревательные элементы, подслойное пожаротушение и т.д.)? На все эти вопросы следует знать ответ перед изготовлением устройства для каждого конкретного случая. Вот почему перед тем, как приступить к проектированию УПС, от заказчика требуется предоставить исчерпывающую информацию о резервуаре и его содержимом. В перечень исходных данных входят характеристики рабочей среды (плотность, вязкость), температура перемешиваемого продукта, диаметр резервуара, максимальная высота взлива, максимальная и минимальная производительность закачки и т.д., всего порядка 12 параметров. Ну а дальше – начинаются расчеты. Какие именно? Чтобы ответить на этот вопрос, совершим небольшой экскурс в науку. Как известно, летательные аппараты подчиняются законам аэродинамики. Это наука, изучающая движение воздуха и его влияние на перемещающиеся в нем объекты. А процессы, которые происходят при работе УПС ЕВНАТ, описывает раздел физики, изучающий законы движения жидкостей и газов и взаимодействия жидкостей и газов с различными телами при их относительном движении– гидродинамика. Тут и среда может быть самая разная – от воды до вязких тягучих субстанций. Исследованиями движения вязких жидкостей занимался в 20-х годах девятнадцатого века французский ученый Анри Навье. А завершил его работу британский физик Джордж Стокс. Он и сформулировал в окончательной форме дифференциальные уравнения пространственного движения вязкой жидкости, получившие наименование уравнений Навье-Стокса.
Жидкость не всегда движется равномерно, ускорившись, она бурлит и завихряется. Русский ученый Менделеев еще в 1880 году высказал мысль о существовании двух противоположных режимов течений. Но подробным изучением этого вопроса занимался другой британский ученый – Осборн Рейнольдс. Он установил, при каких условиях ламинарное движение жидкости, при котором ее частицы и слои движутся параллельно, переходит в турбулентное, когда поток становится хаотическим, вихревым. Кстати, именно при таком – турбулентном - течении происходит активное смешивание слоев жидкости. Расчеты Рейнольдса показали, что поведение жидкой субстанции зависит от формы резервуара (трубы, русла, капилляра), по которому она течет. Поэтому критическое значение, или число Рейнольдса, достигнув которого, поток переходит в турбулентную фазу, для круглых труб одно, а, скажем, для открытого русла – другое. Более того, турбулентность носит довольно непредсказуемый характер: переход от одного режима движения жидкости к другому происходит в случайном месте, тот или иной вихрь также может оказаться где угодно. Крупные вихри распадаются на мелкие, в конце этого процесса энергия завихрения и угасает.
Да, гидродинамика – штука сложная. «А при чем же здесь УПС ЕВНАТ?» —спросит читатель, который, возможно, уже устал от обилия теоретических сведений. Да притом, что наше устройство «умеет» управлять всеми вышеописанными потоками, и даже турбулентностью! Невероятно, но факт – мы точно знаем, как поведут себя потоки жидкости, в той или иной части резервуара. Уже в конструкции УПС заложена конкретная точка, где ламинарный поток переходит в турбулентную фазу. Вот почему в емкости не остается ни одного не перемешанного места, в то же время, стенки резервуара не страдают от избыточного давления. Еще до изготовления устройства нам удается добиться достоверной математической модели поведения жидкости в каждом конкретном отделе емкости. Естественно, если бы мы жили во времена Менделеева, Стокса и Рейнольдса, ученые мужи сочли бы такие расчеты чрезвычайно сложными, а то и невозможными. Но в наш век, с появлением электронно-вычислительной техники, скорость расчетов по уже известным формулам увеличилась. Появились программы, которые визуализируют движение потоков жидкости в резервуаре. Для этого пространство разделяют трехмерной «сеткой», состоящей из 15-20 миллионов расчетных элементов! И для каждой «ячейки» производятся вычисления. Возле трубопроводов, нагревателей и других выступающих деталей внутри резервуара сетка «сгущается», чтобы лучше просчитать, как эти конструкции будут обтекаться жидкостью. Примерно так работает программный комплекс ANSYS CFD, с помощью которого и производятся расчеты, необходимые для создания очередного струйного перемешивающего устройства.
CFD (Computational Fluid Dynamic), или вычислительная гидродинамика – это совокупность теоретических, экспериментальных и численных методов, предназначенных для моделирования течения жидкостей и газов, процессов тепло- и массообмена, реагирующих потоков и т.д. Интерфейс программы очень удобный и наглядно демонстрирует процессы, которые надлежит смоделировать. В САD-системе программного комплекса ANSYS воспроизводится внутренняя часть резервуара и струйно-эжекторное устройство. Задаются характеристики содержимого – жидкости. Осадок моделируется жидкостью с более высокой плотностью. Программа воспроизводит движение жидкости по подводящему трубопроводу к струйному перемешивающему устройству, поведение и характеристики потока в самом устройстве, истечение потока из устройства в резервуар при режиме циркуляции и заполнения для оценки концентрации осадка в придонной области резервуара, а также качества перемешивания потока внутри емкости.
Итак, виртуальный насос включился, виртуальный процесс перемешивания пошел. Размылся осадок? Если нет, в параметры устройства вносятся изменения и все начинается сначала. И так до тех пор, пока виртуальное моделирование не покажет полного отсутствия осадка и абсолютную однородность содержимого резервуара. Вычислительные операции даже при помощи высокопроизводительных компьютеров стоимостью не один миллион рублей могут продолжаться целую неделю. Иначе нельзя: если, к примеру, сопла окажутся не того диаметра – устройство работать не будет. Помните - УПС изготовлено из труб? Так вот: если какая-либо труба будет короче на пару сантиметров или длиннее – устройство тоже со своей задачей как следует не справится. Поэтому самая важная и ответственная часть работы делается виртуально – до того, как смеситель воплотится в металле. Мелочей в этом процессе не бывает. Даже угол наклона труб имеет значение. Бывает, одно сопло на готовых чертежах поднято чуть выше или чуть ниже других. И это не случайность, а результат компьютерного моделирования: умной программе виднее, куда направить и как распределить потоки, если на их пути встречается какая-либо помеха. Поэтому одинаковых решений быть не может в принципе – каждый резервуар требует индивидуальных расчетов. Вот почему, кстати, УПС ЕВНАТ - первое струйное перемешивающее устройство, которое доведено до практического использования и успешно справляется со своими задачами. И даже превосходит ожидания заказчиков. А уж подсчитав экономическую выгоду и поняв, за что заплачены деньги – за сложнейшие расчеты, а не за «несколько трубок», заказчики становятся нашими постоянными партнерами. Как, например, ГК «Содружество-Соя», НК "Новый поток" и другие компании, которым мы помогли раз и навсегда решить проблему образования осадка в резервуарах и добиться полной гомогенизации (однородности) их содержимого.
Надеюсь, и вы, уважаемый читатель, теперь согласитесь с тем, что УПС ЕВНАТ с реактивным самолетом мы сравниваем не случайно. И нашу радость, и чувство удовлетворения от введения в эксплуатацию очередного струйного смесителя можно сравнить только с чувствами авиаконструктора, когда созданный им самолет отрывается от взлетной полосы и исчезает в бескрайнем голубом небе.
